淺析低壓智能補償器及Δ/Y自動投切的應(yīng)用技術(shù)

丁傳春

（揚州市江都區(qū)職業(yè)教育集團，江蘇 揚州 225200）

一、傳統(tǒng)無功功率因數(shù)補償器

20世紀(jì)70年代廣泛應(yīng)用PGJ補償柜，以B相電流與AC相電壓取樣，選用以COSφ為檢測量的控制器，如江都針織總廠使用泰州市海陵電源控制設(shè)備廠生產(chǎn)的補償器，采用晶體三極管分立元件放大器，驅(qū)動步進(jìn)式環(huán)形繼電器，帶動交流接觸器吸合，投入補償電容器，其缺點較多。80年代中期90年代初期由模擬量取樣與變換電路、數(shù)據(jù)存儲模塊、通信模塊、投切控制模塊等組成的微機無功功率因數(shù)補償器。如泰州老東河閘站使用JKL5C無功功率補償控制器還是采用交流接觸器投切電容器。為了提高自動控制技術(shù)性能和可靠性，智能型補償器也就相繼問世。由此可見在我國無功功率補償器經(jīng)歷了由分立元件→集成線路→單片機→DSP芯片一個快速發(fā)展的過程。

二、智能補償器的功能特點

（一）采樣科學(xué)

智能無功補償控制器，不再選用以cosφ為檢測量，其控制物理量、檢測量為無功功率（Q）控制器，其工作原理是將電壓和電流的信號輸入霍爾元件或相敏放大器等具有乘法功能的器件，以測出 Q＝Uicosφ，由于檢測量和控制目標(biāo)都是同一物理量，技術(shù)上是合理的。檢測量為Iq的控制器，利用了相電壓U由正到負(fù)過零的瞬間，恰好就是A相無功電流最大值Iq.Max的原理，用相電壓U過零信號控制，采用開關(guān)和簡單的保持電路，以完成對Iq實時檢測。這種方案的優(yōu)點是：檢測方法簡單，不會發(fā)生震蕩，補償效果與電網(wǎng)電壓波動無關(guān)。作為參量，在運行中既能保證線路系統(tǒng)穩(wěn)定、無振蕩現(xiàn)象出現(xiàn)，又能兼顧補償效果，將補償裝置的效果發(fā)揮得更好。其采樣CT是三相線電流、PT是三相相電壓，這樣就把三相四線的電流、電壓控制信號輸入控制器，YST系列智能無功補償器采樣科學(xué)，如圖 1所示，經(jīng)過 A/D轉(zhuǎn)換和軟件校準(zhǔn)，并通過數(shù)字及邏輯運算可以得到三相無功功率及功率因數(shù)。

圖1 無功補償自動控制器的信號接入

（二）抗干擾能力強

如圖2微機控制器結(jié)構(gòu)圖所示，采用硬件“看門狗”電路，軟件“陷阱”雙重抗干擾措施。

圖2 微機控制器結(jié)構(gòu)圖

（三）共、分補相結(jié)合

針對△-Y結(jié)合情況，三相分相獨立檢測、先共補后分補，成功解決了三相不平衡的補償問題。在三相四線制系統(tǒng)尤為重要，這是傳統(tǒng)補償器無法比擬的。分相補償是指分相投切單相電容器。在三相負(fù)荷不平衡或三相負(fù)荷的波動不一致的情況下，分相投切電容器能取得很好的補償效果。三相共補是指投切三相電容器，在負(fù)荷相對平衡的情況下，三相共補能取得很好的補償效果。如20A（控制補償容量：單相≤4kvar；三相≤10kvar），40A（控制補償容量：單相≤7.5kvar；三相≤20kvar），60A（控制補償容量：單相≤10kvar；三相≤30kvar）

三、低壓智能復(fù)合開關(guān)

該復(fù)合開關(guān)如圖3所示，是針對固態(tài)繼電器及交流接觸器在低壓無功補償應(yīng)用中的不足而研制的。其工作原理是：來自控制器投切命令經(jīng)光電耦合器送到單片機進(jìn)行處理，輸出信號經(jīng)過功率放大電路和隔離電路，才能去觸發(fā)相應(yīng)的晶閘管；單片機按照電容器投入時晶閘管開關(guān)先通，然后接觸器接通，再斷開晶閘管開關(guān)；電容切除時晶閘管開關(guān)先通，然后接觸器斷開，再斷開晶閘管開關(guān)的動作時序工作，經(jīng)光電耦合器和功率放大電路實現(xiàn)對復(fù)合開關(guān)的控制。從而使得復(fù)合開關(guān)在接通和斷開的過程中，具有晶閘管過零投切的優(yōu)點；而在正常接通期間又有接觸器無功耗的優(yōu)點。來自補償裝置的投切信號，經(jīng)光電耦合器送PIC16C54單片機進(jìn)行處理，，輸出的時序信號，經(jīng)功率放大送 MOC3083光電耦合器。晶閘管無觸點開關(guān)兩端電壓經(jīng)電阻降壓也送入MOC3083 光電耦合器，當(dāng)系統(tǒng)電壓 Us（t）與電容器電壓 Uc（t）相等時晶閘管兩端電壓為零，這時光電耦合器可輸出觸發(fā)信號，觸發(fā)對應(yīng)的晶閘管導(dǎo)通。復(fù)合開關(guān)的優(yōu)點還有顯著的節(jié)能效果，如果使用晶閘管而不用接觸器旁路，晶閘管在導(dǎo)通運行時，晶閘管結(jié)間會產(chǎn)生1V左右的電壓降，通常15kV·A三角形接法的電容器，額定電流為22A，則一個晶閘管消耗功率大約22W。例如，以一個150kV·A電容柜來計算，運行時其晶閘管投切裝置消耗功率600W，而且都變成熱量，使柜內(nèi)溫度升高。按照1／2消耗功率計算，則每天消耗電能 300W×24h＝7.2kW·h，一年則 7.2kW·h×365＝2628kW·h，企業(yè)電價0.87元∕kW·h計算，則0.87元×2628＝2286.36元。而在投入電容器后由接觸器旁路，晶閘管退出就不存在晶閘管導(dǎo)通的1V電壓降，在切出時晶閘管導(dǎo)通，接觸器觸點不存在電弧及噪聲、熔焊等現(xiàn)象，安全可靠，使用壽命長，根據(jù)我們多年使用的情況看，復(fù)合開關(guān)中的晶閘管和接觸器沒有損壞，比傳統(tǒng)的補償器節(jié)約很多接觸器和維修工作，復(fù)合開關(guān)中的晶閘管和接觸器互補功能使用在智能控制器自動控制下發(fā)揮了很好的作用，具有很好經(jīng)濟效益。

圖3 復(fù)合開關(guān)控制單元控制板的電路圖

（一）過零投切

控制器發(fā)出投入指令，晶閘管在電壓過零時投入，穩(wěn)定后磁保持繼電器接通旁路運行，晶閘管退出；控制器發(fā)出切除指令后，晶閘管先導(dǎo)通，磁保持繼電器再斷開，最后晶閘管延時過零斷開，從而實現(xiàn)電流過零切除。

（二）投切方式

配電網(wǎng)電容器優(yōu)化投切是用來決定配電系統(tǒng)中已安裝的電容器組在不同復(fù)荷狀態(tài)下投切策略，以達(dá)到減小系統(tǒng)運行時功率或能量損耗目的的一種運行控制手段。電容器組多數(shù)采用“順序投切”方式，合理的投切方式應(yīng)為“循環(huán)投切”，可以使先投入運行的電容器組先退出，后投入的后切除，從而使各組電容器及投切開關(guān)使用概率均等，降低了電容器組的平均運行溫度，減少了投切開關(guān)的動作次數(shù)，延長了使用壽命。

根據(jù)企業(yè)負(fù)載的特點可以采用：①延時投切方式。②瞬時投切方式。③混合投切方式等。

四、低壓補償方式

傳統(tǒng)的低壓補償方式有低壓集中補償、隨機補償、隨器補償、分散補償、分相補償且各有優(yōu)缺點，其中用的最多的是低壓集中補償和分相補償

（一）低壓集中補償方式，通常采用微機控制的低壓并聯(lián)電容器柜，容量在幾十至幾百千乏不等，根據(jù)用戶負(fù)荷水平的波動，投入相應(yīng)數(shù)量的電容器進(jìn)行跟蹤補償，主要目的是提高專用變壓器用戶的功率因數(shù)，實現(xiàn)無功功率的就地平衡，對配電網(wǎng)和配電變壓器的降損有一定作用，也保證該用戶的電壓水平。其優(yōu)點是：接線簡單、運行維護工作量小，使無功就地平衡，從而提高配電變壓器利用率，降低網(wǎng)損，具有較高的經(jīng)濟性，是目前無功補償中常用的手段之一。

（二）分相補償，在民用建筑中大量使用的是單相負(fù)荷，照明、空調(diào)等由于負(fù)荷變化的隨機性大，容易造成三相負(fù)載的不平衡，使原本通過調(diào)配供電回路的負(fù)荷來實現(xiàn)的三相平衡，在實際運行中已無意義，導(dǎo)致了低壓供配電系統(tǒng)三相負(fù)載的嚴(yán)重不平衡。這種不平衡不具備規(guī)律性，無法先預(yù)知，也無法有效地改善。再加上每相負(fù)載的功率因數(shù)也不盡相同，使得每相回路中需要補償?shù)臒o功功率差異很大。筆者在使用傳統(tǒng)的三相無功補償方式，不但不能節(jié)能，反而浪費資源，難以對系統(tǒng)的無功補償進(jìn)行有效補償，補償工程中產(chǎn)生的過補償、欠補償?shù)缺锥烁墙o整個電網(wǎng)的正常運行帶來嚴(yán)重的危害。

圖1展示采樣的信號取自三相中的每一相，根據(jù)每相感性負(fù)載的大小和功率因數(shù)的高低進(jìn)行相應(yīng)的補償，對其它相不產(chǎn)生相互影響，故不會產(chǎn)生過補償和欠補償?shù)那闆r。充分發(fā)揮電容器組對無功負(fù)荷的補償作用，改善電能質(zhì)量，減少系統(tǒng)中電能損耗。

五、智能補償器的應(yīng)用

江城機械有限公司有車床、銑床、龍門刨床、磨床、電焊機數(shù)十臺，近年來設(shè)備不斷增加，供電主干線經(jīng)常處于超負(fù)荷運行，功率因數(shù)很低，線路壓降近35V，機床前線電壓僅有 350V左右。補前測得有功功率表P=102kW、電壓表U1=355V、電流表 I1=360A、S1=√3U1I1=221kVA、cosφ1=P/S1=102/221=0.46，cosφ2取=0.95，求得QC=148kvar。在選用0.4kV電容器時，由于實際電壓偏低，需要增加約30%的容量，則QC=1.3×148=192.4（kvar），實際選用了175kcar。將原集中補，增改分散就地補，采用智能補償器和智能復(fù)合開關(guān) HFS-60-3/Δ、電容型號：BCMJ0.4-25-3、5×25kvar共補，加 HSF-60-1×3/Y、電容型號：BCMJ0.25-25-1Y、2×25kvar分補投切。

補后U2=376V，I2=175A。由此可見不僅提高了供電電壓，還大幅度減少了線路損耗，其損耗可以計算得出：ΔP=3I2R×10-3kW。經(jīng)過查表計算得出電阻系數(shù)為 0.36，主干線長 150m，則線阻 R=0.36×0.15=0.054（Ω）。節(jié)省損耗ΔP=P1-P2=3（I1-I2）2R×10-3=3（360-176）2×0.054×10-3=5.5（kW），按年運行 2500h，年節(jié)電 5.5×2500=13750（kW·h），按企業(yè)0.87元/kW·h計算，可節(jié)約電費0.87×13750=11962.5（元）。

現(xiàn)場改造，利用舊柜，購買智能補償器和智能型△／Y復(fù)合投切開關(guān)、增補電容器等投資9250元，僅用10個月就可以收回成本。以后每年可節(jié)省電費11962.5元，又不要更換主干線電纜，提高機床效率，既能安全運行又減少投資，同時還可以節(jié)省電費開支。過去誤認(rèn)為補償器沒有什么用，供電公司在cosφ＜0.9時罰款也不知怎么回事，改造后功率因數(shù)＞0.9＜0.97有時還有850元／月獎勵。

綜上所述，經(jīng)過對無功功率因數(shù)低劣的產(chǎn)生，線損的危害，提出治理措施—無功補償電容器配置。通過對傳統(tǒng)和現(xiàn)代智能型補償器控制器的分析與比較，投切方式的比較，突出復(fù)合開關(guān)投切電容器，優(yōu)點：實現(xiàn)了投入無涌流運行不發(fā)熱；電容器切除時，觸頭動作無火花、無拉弧，從而使得復(fù)合開關(guān)在接通和斷開的過程中，具有晶閘管過零投切的優(yōu)點；而在正常接通期間又具有接觸器無功耗的優(yōu)點。通過對揚州華鼎YST智能無功補償控制器及揚州揚開YKLD-18智能無功補償控制器的結(jié)構(gòu)、原理、特點以及CT、PT采樣信號的科學(xué)處理，硬件和軟件程序相結(jié)合，實現(xiàn)了智能型控制器檢測量和控制目標(biāo)。三相復(fù)合開關(guān)YHLD-63-3／△，獲中國專利號ZL00249080.3，YKLD-40-1／Y，為單相Y型投切復(fù)合開關(guān)；根據(jù)變電站用戶情況合理選擇低壓補償方式：集中、隨機、隨器、分散、分相等補償。發(fā)揮補償器的各項功能，使用戶花最少的電費得到最好的用電質(zhì)量；我們還通一些企業(yè)補償器的更新改造，體會到選擇適合企業(yè)、小區(qū)、機關(guān)等用電特點的智能無功功率補償器就是最好的，任何一個用戶用電時都存在著一個節(jié)能效益和電能質(zhì)量最佳、支付電費最少的用電功率因數(shù)，這個值稱為經(jīng)濟功率因數(shù)，一定會取得很好的經(jīng)濟效益和社會效益。

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